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Gel d’un liquide de spins sous champ magnétique


Gel d'un liquide de spins sous champ magnétique

Les liquides de spins sont des états quantiques fascinants de la matière magnétique où les spins, malgré de fortes interactions, ne se gèlent pas dans une configuration statique, même à température nulle. De tels états sont connus dans les systèmes (quasi)-unidimensionnels où la basse dimensionnalité interdit toute mise en ordre. A plus haute dimension, leur existence et leur compréhension restent des questions largement ouvertes. Expérimentalement, une étape importante a été franchie en 2005 avec la synthèse du tout premier matériau, l’Herbertsmithite, qui ne présente aucun signe de gel magnétique au moins jusqu’à des températures 1000 fois plus faible que l’interaction entre spins. Dans ce composé, l’état liquide de spin est stabilisé par une forte frustration des interactions antiferromagnétiques entre les spins quantiques (S=1/2) des ions cuivre disposés aux sommets d’un réseau bidimensionnel triangulaire particulier, le réseau kagome.

 

 

Figure : (a) Mesure de la dynamique de spins (1/T1) dans l’Herbertsmithite (b) pour différent champ magnétiques appliqués et diagramme de phase correspondant (c).

 

Parmi les nombreuses propositions théoriques actuelles, on peut distinguer deux classes de modèles ; un état fondamental basé sur l’appariement des spins proches voisins en singulets non magnétiques (modèle de liens de valence résonants) ou un état critique avec des corrélations spin-spin algébriques. Pour tenter de les départager expérimentalement, une stratégie consiste à perturber le système pour révéler sa nature. Dans cette étude nous avons mesuré la dynamique de spins par résonance magnétique nucléaire sous différent champs magnétiques appliqués. Nous avons pu montrer qu’à très basse température l’application du champ induisait une transition vers un état magnétique gelé, caractérisé par une forte diminution de la dynamique de spin. Le modèle du liquide de spin critique est par nature très instable, en particulier à l’application d’un champ magnétique aussi faible soit-il. L’allure du diagramme de phase sous champ suggère au contraire qu’il faut dépasser une valeur critique minimale du champ pour déstabiliser l’état liquide de spins. Nos résultats favorisent ainsi un modèle de type liens de valence résonants et c’est dans ce cadre qu’il faut expliquer la transition observée et la nature de la phase induite.

 

Référence :

M. Jeong, F. Bert, P. Mendels, F. Duc, J. C. Trombe, M. A. de Vries, and A. Harrison, Phys. Rev. Lett. 107, 237201 (2011) – Published November 28, 2011

 

Contact :

Fabrice Bert : (fabrice.bert@u-psud.fr)